(Phys.org)—Elke grote structuur, van het Empire State Building tot de Golden Gate Bridge, hangt af van specifieke mechanische eigenschappen om sterk en betrouwbaar te blijven. Stijfheid - de stijfheid van een materiaal - is van bijzonder belang voor het behoud van de robuuste functionaliteit van alles, van kolossale gebouwen tot de kleinste structuren op nanoschaal. In biologische nanostructuren, zoals DNA-netwerken, het was moeilijk om deze stijfheid te meten, wat essentieel is voor hun eigenschappen en functies. Maar wetenschappers van het California Institute of Technology (Caltech) hebben onlangs technieken ontwikkeld om het gedrag van biologische nanostructuren in zowel ruimte als tijd te visualiseren. waardoor ze de stijfheid direct kunnen meten en de variatie in het netwerk in kaart kunnen brengen.

De nieuwe methode wordt beschreven in de vroege editie van 4 februari van de Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Dit type visualisatie brengt ons naar domeinen van de biologische wetenschappen die we nog niet eerder hebben onderzocht, ", zegt Nobelprijswinnaar Ahmed Zewail, de Linus Pauling hoogleraar scheikunde en hoogleraar natuurkunde aan Caltech, die samen met Ulrich Lorenz het artikel schreef, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zewail. "We bieden de methodologie om direct de stijfheid van een biologisch netwerk met eigenschappen op nanoschaal te achterhalen."

Het kennen van de mechanische eigenschappen van DNA-structuren is cruciaal voor het bouwen van stevige biologische netwerken, onder andere toepassingen. Volgens Zewail, dit type visualisatie van biomechanica in ruimte en tijd zou van toepassing moeten zijn op de studie van andere biologische nanomaterialen, inclusief de abnormale eiwitsamenstellingen die ten grondslag liggen aan ziekten zoals Alzheimer en Parkinson.

Zewail en Lorenz konden zien, Voor de eerste keer, de beweging van DNA-nanostructuren in zowel ruimte als tijd met behulp van de vierdimensionale (4D) elektronenmicroscoop die is ontwikkeld in Caltech's Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology. Het centrum wordt geleid door Zewail, die het in 2005 creëerde om het begrip van de fundamentele fysica van chemisch en biologisch gedrag te vergroten.

"In de natuur, het gedrag van materie wordt bepaald door zijn structuur - de rangschikking van zijn atomen in de drie dimensies van de ruimte - en door hoe de structuur verandert met de tijd, de vierde dimensie, " legt Zewail uit. "Als je een paard in slow motion ziet galopperen, je kunt de tijd van de galop volgen, en je kunt in detail zien wat, bijvoorbeeld, elk been doet het in de loop van de tijd. Als we op de nanometerschaal komen, dat is een ander verhaal - we moeten de ruimtelijke resolutie verbeteren tot een miljard keer die van het paard om te visualiseren wat er gebeurt."

Zewail ontving in 1999 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor zijn ontwikkeling van de femtochemie, die ultrakorte laserflitsen gebruikt om fundamentele chemische reacties te observeren die plaatsvinden op de tijdschaal van de femtoseconde (een miljoenste van een miljardste van een seconde). Hoewel femtochemie atomen en moleculen in beweging kan vangen, de tijdsdimensie geven, het kan niet tegelijkertijd de afmetingen van de ruimte weergeven, en daarmee de structuur van het materiaal. This is because it utilizes laser light with wavelengths that far exceed the dimension of a nanostructure, making it impossible to resolve and image nanoscale details in tiny physical structures such as DNA .

To overcome this major hurdle, the 4D electron microscope employs a stream of individual electrons that scatter off objects to produce an image. The electrons are accelerated to wavelengths of picometers, or trillionths of a meter, providing the capability for visualizing the structure in space with a resolution a thousand times higher than that of a nanostructure, and with a time resolution of femtoseconds or longer.

The experiments reported in PNAS began with a structure created by stretching DNA over a hole embedded in a thin carbon film. Using the electrons in the microscope, several DNA filaments were cut away from the carbon film so that a three-dimensional, free-standing structure was achieved under the 4D microscope.

Volgende, the scientists employed laser heat to excite oscillations in the DNA structure, which were imaged using the electron pulses as a function of time—the fourth dimension. By observing the frequency and amplitude of these oscillations, a direct measure of stiffness was made.

"It was surprising that we could do this with a complex network, " says Zewail. "And yet by cutting and probing, we could go into a selective area of the network and find out about its behavior and properties."

Using 4D electron microscopy, Zewail's group has begun to visualize protein assemblies called amyloids, which are believed to play a role in many neurodegenerative diseases, and they are continuing their investigation of the biomechanical properties of these networks. He says that this technique has the potential for broad applications not only to biological assemblies, but also in the materials science of nanostructures.